1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Power supply adalah alat yang memasok energi listrik ke satu atau lebih

beban listrik. Istilah ini paling sering diterapkan ke perangkat yang mengubah satu

bentuk energi listrik yang lain. jenis-jenis power supply yaitu baterai, power

supply AC, power supply DC, Linear regulated power supply, AC/DC supply

Switched-mode power supply dll.tergantung dari fungsi dan keguanaan.

Converter DC sebagai salah satu jenis power supply DC yang berfungsi untuk

menaikkan tegangan. Converter DC sendiri memiliki beberapa jenis yaitu: Step-

down (buck) converter (untuk menurunkan teganagan), Step-up (Boost) converter

(untuk menaikkan teganagan), Step-down/step-up (buck-boost) converter, (untuk

menurunkandan menaikkan teganagan), Cuk converter,Push-pull converter,Full-

bridge converter, dan Flyback converterbuck converter dan Boost Converter

merupakan topologi converter dasar, karena yang lainnya merupakan turunan atau

kombinasi dari buck converter atau Boost Converter.

Boost Converter Terdapat dua alternatif transformasi daya dari sumber DC ke

beban dengan cara yang dapat dikendalikan yaitu Linear Mode dan Switched

Mode. Konversi daya mode linear menggunakan jatuh tegangan pada elemen

resistif untuk mengatur tegangan. Mode ini juga hanya bisa digunakan sebagai

penurun tegangan. Pada konversi daya Switched Mode, energi yang timbul oleh

2

karena jatuh tegangan pada induktor disimpan pada kondisi switched on,

kemudian akan ditransfer ke beban pada kondisi swithced off. Cara ini

menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan mode linear. Energi yang

tersimpan pada induktor dapat diubah menjadi tegangan output yang lebih tinggi

dibandingkan tegangan inputnya,lebih rendah atau inversi dari tegangan inputnya.

Ada dua fundamental berbeda operasi mode untuk converter. Yang pertama,

continues Conduction mode (CCM) yaitu tempat energi dalam induktor mengalir

terus menerus selama operasi dari konverter. Peningkatan tersimpan energi dalam

induktor selama waktu ON dari switch adalah sama dengan energi yang dibuang

ke output selama waktu OFF dari tombol, memastikan operasi steady-state. Pada

akhir interval debit, energi sisa tetap di induktor. Selama berikutnya ON interval

dari switch, energi membangun dari tingkat sisa untuk yang dibutuhkan oleh

beban untuk switching berikutnya siklus. Dalam modus lain, discontinues-

conduction mode (DCM),energi yang tersimpan dalam induktor selama interval

ON saklar itu sama hanya dengan energi yangdibutuhkan oleh beban untuk satu

switching siklus, ditambah jumlah kerugian konverter. energi dalam induktor

menghabiskannya ke nol sebelum akhir setiap siklus switching, sehingga dalam

suatu periode tidak ada aliran energi, atau operasi terputus-putus. Kedua modus

pengoperasian telah signifikan mempengaruhi kinerja Converter. Salah satu

keputusan pertama untuk membuat dalam mendesain Boost Converter adalah

memilih mode Converter untuk mengoperasikannya.

Dari uraian sebelumnya, pada tugas akhir ini akan diaplikasikan Boost

Converter jenis Conduction continues mode (CCM) switch mode dari masukan

3

12v di konversikan keluarannya menjadi 24v dengan cara menentukan duty-ratio,

resistanti, kapsitor, dioda, mosfet, arus dan tegangan. setelah itu menganalisa

dengan menggunakan sim power system matlab 2008 dan circuit maker serta

mengimplementasikannya ke papan PCB.

1.2 Rumusan Masalah

Perumusan dan penjabaran masalah yang dibahas dalam penulisan Tugas

akhir adalah sebagai berikut :

1. Bagaimana Desain Rangkaian Boost Converter conductions continues

switch mode menggunakan sim power system dari progam matlab 2008

2. Bagaimana implementasi desain kedalam rangkaian elektronik diatas

papan PCB.

1.3 Tujuan

1. Mendesain dan mengimplementasikan Rangkaian Boost Converter

conductions continues switch mode ke papan pcb

2. Menganalisa output tegangan dari rangkaian elektronik boost converter

dengan output tegangan boost converter menggunakan sim power system

menggunakan matlab 2008

4

1.4 Batasan Masalah

1. Desain Rangkaian Boost Converter conductions continues switch mode

menggunakan sim power system menggunakan matlab 2008.

2. Pembuatan rangkaian elektronik Boost Converter.

3. Analisa dari Rangkaian Boost Converter conductions continues switch

mode .

1.5 SISTEMATIKA LAPORAN

BAB I Pendahuluan

Membahas tentang latar belakang, Rumusan Masalah,

Tujuan, Manfaat, Batasan Masalah, Sistematika Laporan.

BAB II Dasar Teori

Boost Converter, Induktor, Mosfet, PWM, LM358,

Kapasitor, Matlab .

BAB III Metodologi

Berisi tentang Desain Catu Daya, Desain PWM, Desain

Boost Converter, Proses Perancangan dan pembuatan alat.

BAB IV Pengujian dan Pembahasan

Berisi tentang Pengujian pada rangkaian.

BAB V Penutup

Berisi Tentang Kesimpulan dan Saran

5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 BOOST CONVERTER

Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe peralihan atau dikenal

dengan sebutan DC Chopper dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan

keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban.

Daya masukan dari proses DC-DC tesebut adalah berasal dari sumber daya DC

yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap. Pada dasarnya,

penghasilan tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara

pengaturan lamanya waktu perhubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan

pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi

penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti

misalnya Tyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Secara umum ada dua fungsi

pengoperasian dari DC Chopper yaitu penaikkan tegangan dimana tegangan

keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan, dan penurunan

tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan.

Boost Converter atau step up converter adalah DC Chopper yang tegangan

keluarannya dapat diatur lebih besar atau sama dengan tegangan sumber. Pada

umumnya rangkaian ini digunakan untuk regulated power supply (catu daya yang

tegangannya dapat diatur). Rangkaian dasar Boost Converter ditunjukkan dalam

Gambar 2.1 Kapasitor C harus mempunyai kapasitas yang sangat besar agar

6

dapat memberikan tegangan konstan saat beban tidak mendapat suplai dari

sumber.

Gambar 2.1 Rangkaian dasar Boost Converter

(Rashid,2001)

Pada gambar 2.1 komponen switchnya diatur dengan metode PWM. Jika

switch ditutup, dioda D akan mendapat tegangan mundur (reverse bias), sehingga

dioda tidak menghantar dan tidak ada arus yang mengalir ke beban. Arus dari

sumber hanya mengalir ke induktor L. Sesuai dengan sifatnya, arus yang mengalir

akan disimpan oleh induktor dalam bentuk magnet.

Ketika switch dibuka, dioda D akan mendapat tegangan maju (forward bias),

sehingga dapat mengalirkan arus dari sumber. Arus yang mengalir ke beban akan

lebih besar daripada arus yang dikeluarkan sumber, karena mendapat tambahan

arus yang sebelumnya disimpan oleh induktor. Akibatnya tegangan pada beban

juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan hukum Ohm di mana tegangan pada

suatu beban adalah arus dikalikan resistansi beban.

7

2.1.1 Prinsip Kerja Boost Converter

Berikut bentuk diagram rangkaian dasar Boost Converter dan bentuk

gelombang keluarannya :

Gambar 2.2 Gambar Boost Converter: (a) Diagram Rangk. (b) Bentuk

gelombang (H. Muhamad Rashid, Power Elektronik Handbook, academic Press,

California, 2003, hal 216)

8

Gambar 2.3 MOSFET dalam Kondisi ON

Ketika switch S pada posisi 1, arus mengalir di Induktor L. Inductor

menyimpan energi listrik dalam bentuk magnet. Perubahan Arus Induktor (IL)

yang mengalir melalui induktor dengan rumus:

∆ I L

∆ t=VIn

L ..................................................................................................(2.1)

Peningkatan Arus Induktor (IL) ketika Switch pada posisi ON dengan rumus :

∆ I Lon=1L∫0

DT

V ¿dt= DTL

V ¿...............................................................................(2.2)

Dan ketika switch S pada posisi 2, beban R mendapat sumber energy dari V in atau

V sumber dan Induktor yang melepaskan energy listrik. Jika mempertimbangkan

penurunan tegangan Dioda dan muatan pada kapasitor cukup besar untuk

menahan Tegangan keluaran tetap konstan. Maka perubahan I L dirumuskan

dengan :

Vin−Vout=LdI L

dt .............................................................................................(2.3)

9

Sehingga, perubahan I L selama periode OFF adalah :

∆ I Loff= ∫0

(1−D) (V ¿−V 0 ) dt

L=

(V ¿−V 0 ) (1−d ) TL

..............................................(2.4)

Gambar 2.4 MOSFET dalam Kondisi Off

Jadi, arus induktor harus sama pada awal dan akhir siklus pergantian. ini berarti

perubahan keseluruhan dalam saat ini (jumlah perubahan) adalah nol.

∆ I Lon+∆ I L off=0............................................................................................... (2.5)

Menjumlahkan persamaan (2.2 ) dengan persamaan ( 2.4) maka akan menjadi:

∆ I Lon+∆ I L off=V ¿DT

L+

(V ¿−V 0 ) (1−d ) TL

=0..................................................(2.6)

Sehingga jika disederhanakan akan menjadi :

V 0

V ¿= 1

1−D.........................................................................................................(2.7)

Untuk mengetahui Duty ratio dapat ditentukan dengan persamaan :

D=1−V ¿

V 0.........................................................................................................(2.8)

Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa tegangan output (V0) akan

lebih besar dibandingkan tegangan input (Vin) (sebagai Duty Ratio dari 0.1

10

sampai 0.9 ). Dengan demikian dapat diketahui arus keluaran dari rangkaian

dengan persamaan :

Io=V 0

R❑..............................................................................................................(2.9)

Regulator Boost Converter hanya memerlukan sebuah MOSFET, sangat

sederhana dan memiliki efisiensi yang tinggi dari 90 % di/dt atau arus beban

dibatasi oleh induktor L. Namun demikian, arus masukan tidak memiliki satu

polaritas tegangan keluaran dan arus keluaran yang unidirectional sehingga

memerlukan rangkaian pelindung untuk kemungkinan adanya hubung singkat bila

arus yang mengalir pada dioda.

2.2 Induktor

Induktor seringkali disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan, atau belitan.

Pada induktor mempunyai sifat dapat menyimpan energi dalam bentuk medan

magnet. Satuan dari induktor Henry (H). Dalam rangkaian Boost Converter

Induktor digunakan sebagai penyimpan energi listrik dalam bentuk medan

magnet. Pemilihan Parameter induktor yang digunakan dalam Boost Converter

harus sesuai dengan persamaan :

L>(1−D )2 . D . R

2 fs..............................................................................(2.10)

Untuk menjamin kestabilan Boost Converter maka syarat yang harus

dipenuhi adalah :

L ≤C .VinVo

.( R10 )

2

...............................................................................(2.11)

11

Arus yang mengalir pada induktor akan menghasilkan fluksi magnetik (Φ)

yang membentuk loop yang melingkupi kumparan. Arus yang mengalir pada

Induktor dapat diketahui dengan persamaan :

I l=Vin

(1−D )2 . R...................................................................................(2.12)

Dimana :

Vin = tegangan input

V0 = tegangan output

L = induktor

C = kapasitor

R = resistansi (beban)

D = Duty Ratio

I l = arus induktor

2.3 MOSFET

MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxide Semiconduktor Field Efect

Transistor (semikonduktor FET oksida logam) yang memiliki sumber, gerbang

dan penguras. Akan tetapi berbeda dengan JFET, gerbangnya sangat kecil untuk

gerbang positif atau negatif. MOSFET kadang – kadang disebut sebagai IGFET,

singkatan dari insulated-gate FET (FET gerbang terisolasi).

12

2.3.1 MOSFET Tipe Pengosongan (Depletion-Type MOSFET)

Gambar 2.5 memperlihatkan MOSFET saluran-n, sekeping bahan n

penghantar dengan daerah p di sebelah kanan dan gerbang terisolasi di sebelah

kiri. Elektron bebas dapat mengalir dari sumber ke penguras melalui bahan n.

Daerah p disebut substrat (atau tubuh); secara fisik daerah ini mengurangi jalur

penghantar menjadi saluran sempit . Elektron yang mengalir dari sumber ke

penguras harus melalui saluran yang sempit ini.

Lapisan tipis silikon dioksida (SiO2) ditempelkan pada sisi kiri saluran.

Silikon dioksida sama seperti kaca, yang merupakan isolator (penyekat). Pada

MOSFET gerbangnya terbuat dari logam. Karena gerbang terpisah dari saluran,

maka hanya sedikit sekali arus gerbang yang mengalir, walaupun bila tegangan

gerbang berharga positif.

Gambar 2.5 MOSFET Tipe – Pengosongan.

Pada ragam pengosongan, catu VDD memaksa elektron bebas mengalir ke

sumber ke penguras. Elektron ini mengalir melalui saluran yang sempit pada sisi

kiri dari substrat p. Bila tegangan gate cukup negatif, arus penguras putus. Sedang

n

n

p

DRAIN

SUBSTRAT

SOURCE

GATE

SiO2

13

pada ragam peningkatan, tegangan positif menaikkan jumlah elektron bebas yang

mengalir melalui saluran.

Makin positif tegangan gate, makin besar hantaran dari sumber ke penguras.

Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Ragam MOSFET (a). Ragam Pengosongan

(b) Ragam Peningkatan

Jenis ini memiliki arus drain yang baik pada ragam pengosongan maupun

peningkatan. Karena jenis ini menghantar pada saat VGS = 0, yang juga dikenal

sebagai MOSFET normally on.

2.3.2 MOSFET Tipe Peningkatan (Enhancement-Type MOSFET)

Gambar 2.7.a memperlihatkan MOSFET tipe peningkatan saluran-n. Pada

MOSFET ini, substrat meluas hingga menyentuh silikon dioksida; secara fisik tak

ada lagi saluran n diantara sumber dan drain. Untuk mendapatkan arus drain, kita

harus menerapkan tegangan gerbang positif. Gambar 2.7.b memperlihatkan

polaritas pengaturan pra-tegangan yang normal. Bila VGS = 0, maka catu VDD

VDDVDD

VGG VGG

14

berusaha memaksa elektron bebas mengalir dari sumber ke drain, tapi substrat p

hanya memiliki sedikit sekali elektron pita-konduksi yang dihasilkan secara

thermal. Itulah sebabnya jenis ini disebut juga sebagai MOSFET normally off.

Gambar 2.7 MOSFET Tipe Peningkatan

Bila tegangan gate cukup positif, ia dapat menarik cukup banyak elektron

untuk membentuk lapisan tipis elektron diantara sumber dan drain. Dengan kata

lain, tegangan gerbang positif menarik elektron bebas ke dalam substrat p dan

bergabung kembali dengan lubang yang berbatasan dengan silikon dioksida. Bila

tegangan gerbang cukup positif, semua lubang yang bersentuhan dengan silikon

dioksida terisi, dan elektron bebas mulai mengalir dari sumber ke drain.

2.3.3 Simbol Rangkaian MOSFET

Terdapat 2 simbol yang digunakan untuk MOSFET saluran-n yang

ditunjukkan pada Gambar 2.8. Simbol dalam Gambar 2.8.a menunjukkan simbol

yang digunakan untuk jenis MOSFET tipe Enhancement dan Gambar 2.8.b

menunjukkan simbol yang digunakan untuk MOSFET tipe Depletion.

SiO2

VDD

VGS

15

Gambar 2.8 Simbol MOSFET untuk Peningkatan Saluran-n

2.3.4 Karakteristik MOSFET

Simbol dan karakteristik tegangan arus MOSFET ditunjukkan dalam

Gambar 2.9. MOSFET mempunyai tiga terminal dengan nama masing-masing

adalah: Gate (G), Drain (D) dan Source (S). Gate identik dengan terminal Base

(B) pada transistor, sedang Drain identik dengan Collector (C) dan Source identik

dengan Emitor (E).

Gambar 2.9 Simbol dan karakteristik MOSFET

Simbol pada Gambar 2.9 adalah simbol MOSFET dengan channel N. Hal itu

ditunjukkan dengan arah panah masuk pada terminal S. Jenis lainnya adalah

Gate Gate

Drain Drain

Source Source

16

MOSFET channel P yang simbol anak panahnya mengarah keluar. Daerah aktif

dari MOSFET adalah daerah dalam sudut antara garis off dan on. Pada daerah ini

terminal D dan S mengalami konduksi seperti halnya saklar tertutup. Akibatnya

arus ID mengalir dari terminal D ke terminal S. Kondisi ini terjadi jika diberikan

tegangan VGS yang nilainya lebih besar dari VGS threshold (penahan). VGS

threshold adalah nilai VGS minimum yang diperlukan untuk menyebabkan

terminal D dan S konduksi.

Besar arus ID yang mengalir dari terminal D ke terminal S, tergantung dari

nilai IGS yang diberikan. IGS akan bertambah jika tegangan VGS ditambah, dan akan

berkurang jika VGS dikurangi. Jika teganganVGS berkurang hingga di bawah VGS

threshold, konduksi antara terminal D dan S akan terputus.

2.4 Kapasitor

Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan

dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik

di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal

dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867).

Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas

permukaan kepingan tersebut.

Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh

suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya

udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi

tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu

17

kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif

terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir

menuju ujung kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke

ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif.

Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung

kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya

muatan-muatan positif dan negatif di awan.

Dalam pembuatan Boost Converter kapasitor digunakan untuk membatasi

riak tegangan yang dihasilkan dari rangakaian Boost Converter. Untuk membatasi

riak tegangan output (vo = vr) maka besar kapasitansi minimal filter capasitor

dihitung dengan menggunakan Perssamaan :

C min= DR . fs

.VoVr

..............................................................................................(2.13)

Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian :

1. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain.

2. Sebagai filter dalam rangkaian.

3. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antena.

4. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon.

5. Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar

2.5 PWM (Pulse Width Modulation)

18

Dengan bentuk rangkaian ini suplai DC dikonversikan (atau diatur) ke dalam

frekuensi tinggi (hingga 10 kHz) gelombang kotak dari lebar variabelnya dan

tingginya yang tetap. Arus bolak-balik dalam bentuk gelombang keluaran yang

diperlukan kemudian membentuk pulsa ini dimana lamanya waku menjadi sangat

singkat

Kontrol PWM (modulasi lebar pulsa) bekerja dengan switching power suplai

ke beban dalam keadaan ON dan OFF dengan sangat cepat. Sinyal gergaji diatur

menjadi sinyal gelombang kotak, pertukaran antara secara hidup penuh (hampir

mendekati 12 Volt) dan nol. Berikut adalah besar nilai Duty Cycle atau siklus

kerja dari PWM yang ditunjukkan pada gambar 2.10.

Gambar 2.10 Kontrol PWM dengan Gelombang Kotak.

Pada PWM switching terdapat suatu switching yang konstan/tetap, switch

control signal dengan control ON dan OFF yang dihasilkan dengan

membandingkan suatu level control signal tegangan dengan suatu bentuk

gelombang berulang. Frekuensi tetap konstan dalam suatu kontrol pulse width

19

modular (PWM) dengan batasan range frekuensi yang ditentukan. Berikut adalah

blog diagram dari Pulse width modulator (PWM) dan Comparator signal dari

Pulse width modulator (PWM) :

Gambar 2.11 Blok Diagram Pulse Width Modulator ( PWM)

Sumber: Mohan, Undeland, dan Robbins (1989, p.65)

Gambar 2.12 Comparator Signal Pulse Width Modulator (PWM)

Sumber: Mohan, Undeland, dan Robbins (1989, p.65)

VVc

V

V

20

Tegangan kendali vc(t) yang dihasilkan oleh Controller akan dibandingkan

dengan sinyal gergaji vr(t) dengan amplitudo konstan Vr pada frekuensi switching

yang konstan (fs) seperti pada Gambar 2.12. Sinyal output switching dinyatakan

dengan fungsi d(t), dimana :

d (t on )=1 untuk V c (t ) ≥V r

d (t off )=0 untuk V c (t )<V r

seperti tampak pada Gambar 2.12. Duty ratio PWM d(t) dinyatakan dengan :

d ( t )=V c( t)

V r

.......................................................................................(2.14)

2.6 Penguat Operasional

Penguat operasional atau Op-Amp adalah rangkaian elektronik yang

dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambahkan komponen

luar sedikt saja dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Dalam penulisan ini Op-

Amp digunakan sebagai Pembangkitan Pulsa. Pada dasarnya ada dua macam

penguatan yaitu inverting dan non-inverting dengan konfigurasi seperti pada

Gambar 2.13

Gambar 2.13 Rangkaian Penguat (a) Inverting, (b) Non-Inverting

21

Persamaan penguatan pada Gambar 2.13 adalah sebagai berikut:

Inverting :

V out=−R f

R¿V ¿ .........................................................................(2.15)

V out=R¿+Rf

R¿V ¿=(1+

Rf

R¿) .V ¿ ...................................................(2.16)

IC LM358 sebagai penguat masukan dari sensor, fungsi rangkaian penguat

adalah untuk membangun sinyal PWM dan sinyal gergaji pada rangkaian Boost

Converter.

Gambar 2.14 Konfigurasi Pin LM358

Penguat LM358 mempunyai 2 rangkaian penguatan (Gambar 2.13).

Amplifier ini mempunyai beberapa keuntungan diatas tipe amplifier standar dalam

mode single supply. Dapat beroperasi pada voltase daya dan 3V sampai 32V.

Mode masukan daya (supply) ini termasuk negative supply, dengan demikian

menghilangkan eksternal bias dari komponen pada banyak aplikasi. Cakupan

voltase keluaran juga meliputi voltase negatif (negative supply).

22

LM358 dalam pengoperasiannya dapat dilakukan secara single supply atau

split supply (Gambar 2.15).

Gambar 2.15 Konfigurasi Power Supply

2.7 MATLAB

MATLAB merupakan suatu program yang awalnya dirancang untuk

menyederhanakan pelaksanaan rutinitas numerik aljabar linier. Sejak itu tumbuh

menjadi sesuatu yang lebih besar dan digunakan untuk mengimplementasikan

algoritma numerik untuk berbagai aplikasi. Bahasa dasar yang digunakan sangat

seerhana dengan notasi standar aljabar linier, tetapi ada beberapa ekstensi yang

mungkinakan menyebabkan beberapa masalah pada awalnya.

MATLAB adalah sebuah bahasa dengan kinerja tinggi untuk komputasi

masalah teknik. Matlab mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan

pemograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk dipakai. Dimana,

masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika

yang familiar.

Fitur-fitur Matlab sudah banyak dikembangkan, dan lebih dikenal dengan

nama ToolBox. Sangat penting bagi pengguna Matlab, ToolBox mana yang

23

mendukung untuk Learn dan Apply teknologi yang sedang dipelajarinya. ToolBox

ini merupakan kumpulan dari fungsi-fungsi Matlab yang telah dikembangkan ke

suatu lingkungan kerja Matlab untuk memecahkan masalah dalam kelas

Particular. Area-area yang sudah bisa dipecahkan dengan ToolBox saat ini

meliputi pengolahan Sinyal, Sistem Kendali, Neural Networks (jaringan syaraf

tiruan), Fuzzy Logic dan Wavelets.

2.7.1 Simulink

Simulink MATLAB adalah fasilitas dalam perangkat lunak MATLAB yang

dapat digunakan untuk membuat model suatu sistem, melakukan uji simulasi dari

model tersebut dan menganalisa dinamika sistem model tersebut. Library browser

merupakan ToolBox model yang terdiri dari Sink, Source, Math Operation dan

lain-lain. Dalam Gambar 2.16 menunjukan gambaran Library Browser Simulink.

Gambar 2.16 Library Browser Simulink

24

2.7.2 Sim Power Systems

Sim Power Systems adalah sekumpulan Tool yang dapat akan digunakan

untuk merancang Boost Converter untuk diaplikasikan dalam pembuatan Model

PWM (Pulse widh modulation) Boost Converter. ToolBox Sim Power Systems

dapat digunakan dalam lingkungan kerja Matlab. Dalam Gambar 2.17

menunjukan gambaran Library Browser Sim Power Systems.

Gambar 2.17 Library Browser Sim Power Systems

(Arun Rajagopalan. 2002)

25

BAB III

METODOLOGI

3.1 Pengertian Umum Boost Converter

Converter DC ke DC memiliki fungsi untuk mengubah tegangan masukan

DC tetap menjadi tegangan keluaran DC yang berubah atau bervariasi yang

diperlukan oleh beban. Sistem rancangan secara umum dapat diterangkan melalui

diagram blok dibawah ini :

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem.

Dari uraian diagram blok diatas dapat dijelaskan secara umum diskripsi kerja dari

blok tersebut, yaitu :

Power Supply DC ini digunakan untuk menyuplai ke dalam rangkaian yaitu

rangkaian Boost Converter dan rangkaian PWM. Besar tegangan yang akan

digunakan adalah 12 Volt pada rangkaian Boost Converter dan juga pada

rangkaian PWM.

BebanBoost Converter

Power Supply

PWM

26

PWM yang digunakan dalam perencanaan ini menggunakan LM 358 Dalam

perencanaan kali ini frekuensi yang akan dibangkitkan melalui LM 358 adalah

sekitar 1 kiloHetz dengan mengeluarkan sinyal gergaji pada keluarannya.

Keluaran dari LM 358 selanjutnya akan di trigger ke MOSFET dalam rangkaian

Boost Converter. Tegangan yang keluar dari PWM selanjutnya akan diteruskan ke

dioda yang berguna sebagai pengaman dari arus umpan balik jika beban pada

Boost Converter bersifat induktif. Setelah melewati dioda, tegangan diteruskan ke

kapasitor yang kemudian ke resistor. Kapasitor pada Boost Converter disini

berfungsi sebagai Filter untuk mengurangi ripple pada outputnya sehingga bila

semakin besar nilai C kapasitor maka gelombang keluaran diharapkan makin rata.

Dari keluaran Boost Converter ini akan dihasilkan tegangan yang lebih atau

sama dengan tegangan. Disini dipergunakan sebuah potensiometer yang

digunakan untuk mengatur tegangan keluaran dari Boost Converter yaitu dengan

mengatur Duty Cycle dari PWM.

3.2 Parameter Simulasi

Untuk mendapatkan Boost Converter pada arus kontinyu (Continous

Conductions Mode), diperlukan pemilihan parameter simulasi yang tepat untuk

menghasilkan Boost Converter yang diinginkan seperti berikut :

1. Merencanakan Tegangan Output VO = 24 Volt

2. Menetapkan tegangan input Vin = 12 Volt

3. Menetapkan frekuensi Switching fs = 1000 Hz

4. Merencanakan Resistansi beban, R = 24 Ohm

27

5. Menghitung Duty Ratio

Dari persamaan (2.8) berikut diketahui Duty Ratio :

D=1−VinVo

D=1−1224

=0.5

6. Menentukan besar Kapasitansi Kapasitor

Dengan asumsi perbandingan antara riak tegangan (Vr) dengan tegangan

output (V0) sebesar 1 %

7. Pemilihan Kapasitansi Kapasitor

Untuk membatasi riak tegangan output (vo = vr) maka besar kapasitansi

minimal filter kapasitor dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.13)

C min= DR . fs

.VoVr

Jika diasumsikan Vr/Vo = 1 % maka :

C min= 0.5(24 ) .(1000)

.1

0.012,1mF

Maka dipilihlah C = 2.2 mF

8. Pemilihan Boost Induktor dapat itentukan dengan persamaan (2.10)

L>(1−D )2 . D . R

2 fs

L>¿(1−0.5 )2 . (0.5 ) .(24)

2.(1000)=1.5 mH

9. Untuk menentukan induktor pada rangkaian Boost Converter maka

syarat yang harus dipenuhi adalah dengan persamaan (2.10):

28

L ≤C .VinVo

.( R10 )

2

L=( 2.2 x10−3 ) . 1224

.( 2410 )

2

¿0.006336=6.34 mH

Maka dalam percobaan simulasi dipilih induktor L = 2 mH

10. Menghitung arus Induktor dengan persamaan (2.12)

I l=Vin

(1−D )2 . R

I l=12

(1−0.5 )2 .(24)=2 A

11. Menghitung arus output dengan persamaan (2.9)

I 0=VoR

I 0=2424

=1

3.3 Desain Boost Converter menggunakan Simulink MATLAB

Simulink MATLAB adalah fasilitas dalam perangkat lunak MATLAB yang

dapat digunakan untuk membuat model suatu sistem, melakukan uji simulasi dari

model tersebut dan menganalisa dinamika sistem model tersebut.

Pada rangkaian Boost Converter tersebut terdapat rangkaian Boost Converter

dan rangkaian PWM. Model simulasi PWM Boost Converter dapat dilihat pada

Gambar 3.2 berdasarkan model simulasi tesebut yang akan diimplementasikan

kepapan PCB.

29

3.3.1 Data Hasil Simulasi Desain Boost Converter

Untuk melakukan pengujian rangkaian Boost Converter, maka pengujian

yang dilakukan adalah melakukan simulasi pada rangkaian. Berdasarkan desain

PWM Boost Converter pada gambar 3.2 rangkaian tersebut yang akan dilakukan

pengujian. Pengujian simulasi dilakukan untuk mendapatkan data-data yang

dibutuhkan untuk melakukan penganalisaan rangkaian. Setelah melakukan

Simulasi pada Rangkaian Boost Converter maka akan deperoleh grafik

karakteristik. Data yang diperoleh berupa data grafik respon yang berupa sinyal

respon yang keluaran dari desain Boost Converter yang terdapat pada rangkaian

simulasi.

Gambar 3.2 Simulasi Boost Converter

menggunakan Simulink dengan ToolBox Sympower system MATLAB

30

(perancangan)

Berdasarkan hasil simulasi PWM pada Gambar 3.2 dapat diketahui Duty

Ratio berdasarkan persamaan ( 2.9 ) yaitu :

d (t )=V c (t )

V r

d ( t )=0.51

=0.5

Gambar 3.3

Sinyal Respon Duty Cycle (D-Cycle) dan Duty Ratio(d) gelombang dalam kondisi

Continous Conductions Mode (CCM)

Pada Gambar 3.3 merupakan sinyal pembentukan PWM (Pulse Width

Modulation ). Dengan prinsip kerja Saklar primer yang dipergunakan adalah

OFF

ON

VrComparator Impulse ( Vc )

31

MOSFET karena mempunyai respon yang cepat terhadap perubahan kondisi ON-

OFF (pen-saklaran) dan sangat cocok untuk digunakan dalam sistem switching.

Repeating Sequence merupakan sumber pembentukan gelombang segitiga

berbentuk Sinyal gergaji yang kemudian dikomparsikan (dibandingkan) dengan

tegangan input DC (Vin) pada rangkaian Sumber Boost Converter. Maka akan

didapatkan lebar pulsa atau yang populer disebut PWM (Pulse Width Modulation)

yang akan mengendalikan Gate dari MOSFET.

Gambar 3.4

Sinyal Respon Tegangan Keluaran (V0) dan Arus Induktor (IL)

32

Performasi output yang terlihat pada Gambar 3.4 merupakan sinyal respon

dari model Boost Converter dengan menggunakan input tegangan 12 Volt DC,

terlihat bahwa Respon tegangan output mencapai tegangan maksimum dan arus

induktor mencapai arus maksimum. Dari sinyal respon tegangan output (V0) ini

dapat dijadikan referensi untuk pengamatan selanjutnya meskipun tegangan

puncak sangat besar.

3.4 Desain PWM (Pulse Width Modulation)

Untuk membangkitkan sinyal PWM membutuhkan sinyal gergaji dan

gelombang kotak.didalam LM 358 ini terdapat dua Op-Amp. Dari kedua Op-Amp

tersebut dapat menghasilkan sinyal gergaji kemudian akan dikomperatorkan oleh

satu Op-Amp lagi agar dapat menghasilkan sinyal kotak dengan cara pengaturan

pada inverting input yang dapat diatur dengan menggunakan trimpot.

Berikut adalah gambar Op-Amp yang di tunjukkan pada Gambar 3.5

33

Gambar 3.5 Rangkaian PWM dengan Menggunakan LM 358

3.5 Proses Perancangan dan Pembuatan Alat.

Didalam perancangan dan pembuatan alat ini, diperlukan komponen,

peralatan, dan langkah kerja serta buku referensi yang mendukung mengenai

pembuatan alat ini. Kaxdrena dengan adanya semua itu, perancangan dan

pembuatan dapat diselesaikan dengan hasil yang memuaskan.

Langkah kerja merupakan suatu proses awal dari suatu pekerjaan yang paling

utama dalam perancangan alat, karena dengan adanya itu kita dapat mengetahui

hal – hal yang dapat dikerjakan lebih dahulu didalam merencanakan alat. Didalam

pembuatan alat, langkah kerja yang dapat dilakukan adalah sebagai berikut :

3.5.1 Langkah Kerja Perancangan Alat.

Untuk langkah kerja perancangan alat, langkah kerja yang dapat dilakukan

adalah :

a) Mempersiapkan alat dan bahan yang digunakan.

b) Membuat rancangan rangkaian pada papan PCB.

c) Merangkai hasil rancangan rangkaian dengan menggunakan solder

listrik.

d) Mendapatkan hasil data percobaan dari rangkaian tersebut.

3.5.2 Langkah Kerja Pembuatan Rangkaian Kontrol.

34

Dalam pembuatan alat, langkah kerja merupakan hal yang penting. Karena

dengan adanya langkah kerja kita dapat mengetahui langkah kerja yang harus

dilakukan dalam pembuatan alat tersebut. Dengan mengikuti langkah kerja yang

baik, maka hasil yang didapatkanpun hasil yang baik. Adapun langkah kerja

pembuatannya :

a) Menyiapkan komponen yang digunakan.

b) Menyiapkan alat yang digunakan.

c) Membuat jalur komponen pada PCB.

d) Melarutkan papan PCB dengan ferri clorida.

e) Mengatur tata letak komponen.

f) Mengebor dan memasang komponen sesuai dengan tata letaknya.

g) Menyolder komponen.

h) Menguji hasil komponen.

3.5.3 Proses Pembuatan PCB

a) Siapkan semua alat dan bahan untuk pembuatan PCB.

b) Membuat gambar atau jalur PCB dari rangkaian yang akan dibuat

sebagai perencaan.

c) Mencuci papan pertinax (PCB) dengan sabun sehingga dengan

menggunakan spidol yang tahan terhadap proses pencucian.

d) Mencampur larutan ferriclorida dengan air panas dengan perbandingan

yang sesuai.

35

e) Mencelupkan dan menggoyang-goyangkan papan PCB dalam larutan

fericlorida selama beberapa menit.

f) Setelah tidak ada tembaga yang tersisa, lalu mengangkat dan

membersihkan papan PCB dengan thinner atau semacamnya.

g) Mengebor papan PCB pada bantalan komponen.

h) Papan PCB siap untuk digunakan.

36

BAB IV

PENGUJIAN dan ANALISA

4.1 Pengujian pada Rangkaian PWM

Pengujian terhadap PWM ini dilakukan untuk mengetahui berapa besar

tegangan yang mampu dihasilkan oleh Duty Cycle tersebut.

4.1.1 Peralatan

1. Osiloskop.

2. Multimeter.

4.1.2 Langkah – Langkah Pengujian

1. Menyusun rangkaian sesuai dengan Gambar 4.1.

2. Mengatur Duty Cycle dan mengamati besar tegangan keluaran dan

bentuk gelombang.

Pada Gambar 4.1 dibawah menunjukkan gambar PWM dengan

menggunakan Op Amp Lm 358

37

Gambar 4.1 Skema Rangkaian PWM dengan Menggunakan Op-Amp Lm 358

Gambar 4.2 Sinyal PWM dengan Menggunakan Op-Amp Lm 358 Menggunakan

Simulasi Circuit Maker

4.1.3 Pengujian dan Analisa

Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh hasil percobaan PWM

dengan Duty Cycle dari 10 % hingga 100 % dengan frekuensi 1 kHz seperti pada

Tabel 4.1 berikut.

Tabel 4.1 Pengujian terhadap PWM

Duty Cycle (%) Tegangan Keuaran (Volt)

102030405060

0,881,432,072,803,733,97

38

708090100

4,284,845,205,44

Pada percobaan tersebut PWM yang dihasilkan mampu menghasilkan

tegangan yang bervariasi dimana tegangan tersebut tergantung dari seberapa besar

Duty Cycle atau siklus kerja yang dapat dihasilkan. Semakin besar Duty Cycle

yang dihasilkan maka tegangan yang keluar dari PWM juga akan semakin besar.

Berikut ini adalah bentuk gelombang keluaran dari PWM dengan frekuensi 1 kHz

seperti pada gambar pengujian berikut ini.

Pengujian 1.

Gambar 4.3 PWM dengan Duty Cycle 10%

Dari bentuk gelombang diatas dapat diketahui nilainya:

39

Lebar Pulsa = Duty Cycle (k) =

T on

Ton+T off

×100%

=

1010+90

×100 % =

10100

×100 %= 10%

Time Rise = τr = 1 μs = 0,001 ms

Time Fall = τf = 5 μs = 0,005

Pengujian 2.

Gambar 4.4 PWM dengan Duty Cycle 20%

40

Pengujian 3.

Gambar 4.5 PWM dengan Duty Cycle 40%

Pengujian 4.

41

Gambar 4.6 PWM dengan Duty Cycle 60%

Pengujian 5.

Gambar 4.7 PWM dengan Duty Cycle 80%

Pengujian 6

42

Gambar 4.8 PWM dengan Duty Cycle 100%

4.2 Pengujian terhadap Boost Converter

Pengujian Boost Converter dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui

tegangan keluaran dari Boost Converter terhadap perubahan Duty Cycle.

4.2.1 Peralatan

1. Multimeter.

2. Osiloskop.

4.2.2 Langkah – Langkah Pengujian

1. Menyusun rangkaian sesuai dengan Gambar 4.9

2. Mengatur Duty Cycle pada PWM dan mengamati tegangan keluaran dari

Boost Converter

43

Gambar 4.9 Skema Rangkaian Boost Converter

4.2.3 Pengujian dan Analisa

Setelah melakukan beberapa percobaan maka di dapat hasil percobaan pada

Tabel 4.2 di bawah.

Tabel 4.2 Pengujian Boost Converter

Tegangan Masukan

(Volt)

Arus

(Mili Ampere)

Tegangan keluaran

(Volt)

12

12

12

12

12

12

0,30

0,37

0.44

0,48

0,51

0,56

11.5

15

17

20

22

24

44

Bentuk gelombang penyulutan MOSFET dihasilkan dari PWM dan

tegangan sumber 11,68 volt. PWM digunakan untuk penyulutan MOSFET pada

Boost Converter. Dengan pengaturan Duty Cycle yang bervariasi dihasilkan

tegangan keluaran dari Boost Converter yang bervariasi pula. Pada saat tanpa

pembebanan keluaran Boost Converter yang dapat menghasilkan tegangan

keluaran sebesar 24 volt dengan Duty Cycle 50%. Berikut gambar gelombang

keluaran dari Boost Converter pada saat tanpa beban.

Gambar 4.10 Keluaran Boost Converter Tanpa Beban

Dari Tabel 4.10 diatas dapat dilihat bahwa kecepatan motor DC

sebanding dengan besarnya Duty Cycle pada saat berbeban. Ketika pengaturan

Duty Cycle pada PWM diatur rendah maka tegangan keluaran pada boost

45

converter akan kecil. Sebaliknya, ketika pengaturan Duty Cycle diatur tinggi maka

tegangan keluaran pada boost juga akan. Dengan perubahan tegangan tersebut

maka mengakibatkan perubahan arus pula. Sehingga bentuk gambar keluaran

pada Boost Converter pada saat berbeban dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 4.11 Keluaran Boost Converter Saat Berbeban

Dari gambar pengujian pada saat berbeban, dapat dilihat gelombang

keluaran sama dengan pada saat tak berbeban hanya saja terdapat perubahan pada

amplitudonya. Hal ini disebabkan besarnya nilai kapasitansi pada rangkaian Boost

Converter yang berfungi sebagai peredam ripple dari tegangan keluaran Boost

Converter tersebut, dan beban yang digunakan pada pengujian ini cukup kecil

sehingga hasil gelombang keluaran dari Boost Converter tersebut baik.

Dengan diketahui tegangan keluaran pada saat Duty Cycle 50% adalah 24

volt, tegangan masukan 12 volt, sehingga didapat dapat diketahui bahwa tegangan

46

keluarannya meningkat 2 kali dari tegangan masukan pada Boost Converter

tersebut.

Dari data yang didapatkan dari pengujian yaitu tegangan keluaran yang

diperoleh tegangan sebesar 2 kali lebih besar dari tegangan masukannya bahkan

dapat lebih tinggi lagi dari data yang didapatkan tersebut. Untuk dapat lebih tinggi

lagi tegangan keluaran pada rangkaian Boost Converter, dilakukan dengan cara

menseting pada nilai L pada rangkaian Boost Converter tersebut yang sesuai

dengan rumusnya yaitu :

Vout = VL + VIN

Sehingga semakin besar nilai impedansi pada induktor L maka semakin besar

tegangan keluaran yang dihasilkan.

47

BAB V

PENUTUP

5.1 KESIMPULAN

1. Perbandingan tegangan keluaran dari simulasi sim power system

menggunakan progam Matlab 2008 dengan rangkaian elektroniknya

adalah 0.2

2. Sebagai penyedia tegangan keluaran DC yang bervariasi besaran tegangan

keluarannya diatas tegangan masukan sesuai keperluan bebannya

3. Alat ini digunakan untuk mengatur tegangan dengan merubah Duty

Cyclenya yang berpengaruh pada tegangan keluaran.

4. Hasil yang diperoleh dari simulasi sim power system menggunakan

progam Matlab 2008 adalah hasil yang ideal sedangkan pada rangkaian

sebenarnya adalah tidak ideal dikarenakan faktor-faktor tertentu misalnya

kesalahan menentukan komponen.

5.2 SARAN

1. Dalam melakukan perencanaan, peralatan dan komponen yang digunakan

harus sesuai dengan barang yang ada dipasaran.

2. Pemilihan kapasitor dalam penggunaan PWM sangat penting diperhatikan

karena akan berpengaruh terhadap besar nilai frekuensi maupun besar ton.

48

3. Rangkaian yang digunakan pada PWM, dalam pengembangan selanjutnya

tidak hanya menggunakan rangkaian analog, tetapi dapat menggunakan

rangkaian seperti IC, mikrokontroler, rangkaian digital, penggabungan

antara rangkaian Op-Amp dan IC.